DE102016213766A1

DE102016213766A1 - Device for diagnosing a mechanical system driven by an electric drive motor

Info

Publication number: DE102016213766A1
Application number: DE102016213766.2A
Authority: DE
Inventors: Gerd Neujahr
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: Deutsche Bahn AG
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2018-02-01
Also published as: EP3507612A1; CA3029793A1; AU2017303243A1; EP3507612B1; CN109416388A; AU2017303243B2; SI3507612T1; FI3507612T3; US20190146037A1; ES2953493T3; PL3507612T3; WO2018019619A1; US10928454B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Diagnose einer mittels eines elektrischen Antriebsmotors angetriebenen mechanischen Anlage, deren Antriebsmotor und deren Schalteinrichtung, umfassend mindestens einen Sensor zur Erfassung des Stromverlaufes in einem Leiter (1, 2, 3) des elektrischen Anschlusses des Antriebsmotors. Im Vergleich zum Stand der Technik sollen die Genauigkeit und der Detaillierungsgrad der Diagnose verbessert werden und auf den Antriebsmotor und die Schalteinrichtung erweitert werden, um die Effizienz und Zielausrichtung der auf die Diagnose reagierenden Instandhaltung zu erhöhen. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung des Weiteren Sensoren zur Erfassung der Spannungsverläufe in den Leitern des elektrischen Anschlusses des Antriebsmotors aufweist, wobei jedem Leiter (1, 2, 3) jeweils ein Sensor (4.1, 4.2, 4.3) zur Erfassung des Stromverlaufes sowie ein Sensor (5.1, 5.2, 5.3) im Zusammenwirken mit Sensor (6) zur Erfassung des Spannungsverlaufes zugeordnet sind.The invention relates to a device for the diagnosis of a driven by an electric drive motor mechanical system, the drive motor and the switching device comprising at least one sensor for detecting the current flow in a conductor (1, 2, 3) of the electrical connection of the drive motor. Compared to the prior art, the accuracy and the level of detail of the diagnosis should be improved and extended to the drive motor and the switching device in order to increase the efficiency and targeting of the diagnostics-responsive maintenance. This is inventively achieved in that the device further comprises sensors for detecting the voltage waveforms in the conductors of the electrical connection of the drive motor, each conductor (1, 2, 3) each having a sensor (4.1, 4.2, 4.3) for detecting the current flow and a sensor (5.1, 5.2, 5.3) in cooperation with sensor (6) are assigned to detect the voltage curve.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Diagnose einer mittels eines elektrischen Antriebsmotors angetriebenen mechanischen Anlage, umfassend mindestens einen Sensor zur Erfassung des Stromverlaufes in einem Leiter des elektrischen Anschlusses des Antriebsmotors. Dabei kann der elektrische Antrieb mit Gleichstrom, Wechselstrom oder Dreiphasen-Wechselstrom gespeist werden. The invention relates to a device for the diagnosis of a driven by an electric drive motor mechanical system, comprising at least one sensor for detecting the current flow in a conductor of the electrical connection of the drive motor. The electric drive can be supplied with direct current, alternating current or three-phase alternating current.

Derartige Diagnose-Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Deren Aufgabe besteht darin, die korrekte Funktionsfähigkeit der mechanischen Anlage zu überwachen und dabei insbesondere Schwergängigkeiten in den von den Motoren angetriebenen mechanischen Anlagen zu erkennen. So würde sich beispielsweise eine durch Verschleiß oder unzureichende Justierung hervorgerufene Schwergängigkeit in einer mechanischen Anlage dadurch bemerkbar machen, dass sich der Stromverbrauch des Antriebsmotors im Vergleich zu einem Soll-Zustand verändert (d.h. in aller Regel erhöht). Es wird also der Stromverlauf während eines vollständigen Antriebszyklus – also vom Anfahren bis zum nachfolgenden Stillstand des Antriebsmotors – als Kriterium für den mechanischen Zustand des mechanischen Systems herangezogen. Wenn im Vergleich zu den Referenzwerten eines ordnungsgemäßen Zustandes der Stromverbrauch des Antriebsmotors höher ist oder sich zwischen zwei mit zeitlichem Abstand aufeinander folgenden Antriebszyklen verschlechtert (d.h. zu höheren Werten verschiebt), so wird davon ausgegangen, dass die höhere Stromaufnahme in einem direkten Zusammenhang mit der Bewegung der vom Motor angetriebenen mechanischen Anlage steht. Ein zunehmender Stromverbrauch stellt also ein Indiz für die Schwergängigkeit der mechanischen Anlage sowie für deren zunehmenden Wartungs- und / oder Instandhaltungsbedarf dar. Derartige Diagnose-Vorrichtungen kommen insbesondere bei Antriebssystemen zum Einsatz, die durch eine Vielzahl sich wiederholender Ablaufzyklen geprägt sind, wie es z.B. bei einem reversierenden Betrieb zwischen zwei Zuständen der Fall ist. Ein typisches Beispiel hierfür sind Weichen-Stellantriebe. Such diagnostic devices are known in the art. Their task is to monitor the correct functioning of the mechanical system and in particular to detect sluggishness in the mechanical systems driven by the motors. Thus, for example, a stiffness caused by wear or inadequate adjustment would be noticeable in a mechanical plant in that the power consumption of the drive motor changes (i.e., generally increases) compared to a desired state. Thus, the course of the current during a complete drive cycle - ie from startup to the subsequent standstill of the drive motor - is used as a criterion for the mechanical state of the mechanical system. If, compared to the reference values of a proper condition, the power consumption of the drive motor is higher or worsens (ie, shifts to higher values) between two successive consecutive drive cycles, it is considered that the higher current consumption is directly related to the movement the motor-driven mechanical system is. Increasing power consumption thus represents an indication of the mechanical system's stiffness and its increasing maintenance and / or repair needs. Such diagnostic devices are used in particular in drive systems which are characterized by a multiplicity of repetitive drainage cycles, as described, for example, in US Pat. in a reversing operation between two states is the case. A typical example of this are switch actuators.

Die DE 37 15 478 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zur Überwachung eines Weichenantriebs, der mittels einer 4-Draht-Schaltung über ein Drehstromnetz versorgt wird. In den jeweiligen Leitern der 4-Draht-Schaltung sind Leitungsschalter und Stromüberwacher angeordnet. Beim motorisch angetriebenen Umlaufen der Weiche von einer ersten in eine zweite Stellung wird der Stromfluss in den Stromüberwachern gemessen und hieraus ein Bitmuster ermittelt, anhand dessen Aussagen über den Zustand der Weiche möglich sein sollen. Allerdings kann mit einer solchen Vorrichtung nur das Erreichen der Endlagen des motorisch angetriebenen Stellsystems überwacht werden. Eine eventuelle Schwergängigkeit des Antriebssystems wird nicht erkannt, solange diese nicht das Erreichen einer Endlage verhindert. The DE 37 15 478 A1 describes a circuit arrangement for monitoring a points drive, which is supplied by means of a 4-wire circuit via a three-phase network. Line switches and current monitors are located in the respective conductors of the 4-wire circuit. During motor-driven circulation of the switch from a first to a second position, the current flow in the current monitors is measured and from this a bit pattern is determined by means of which statements about the state of the switch should be possible. However, only the reaching of the end positions of the motor-driven actuating system can be monitored with such a device. A possible stiffness of the drive system is not recognized, as long as this does not prevent reaching an end position.

Aus der WO 2008/089502 A2 ist eine Vorrichtung bekannt, welche den Energiebedarf eines Drehstrom-Weichenantriebsmotors ermittelt, woraus dann wiederum auf den Zustand der Weiche geschlossen werden kann. Die Ermittlung des Energiebedarfes erfolgt über die näherungsweise Messung des Wirkstrom-Anteils in einem Leiter des Antriebsmotors mittels einer parallel zum Leiter geschalteten Drossel, wobei der an die Drossel angeschlossene Leiter entgegengesetzt zum jeweiligen Leiter durch einen einachsigen Hall-Sensors geführt ist. From the WO 2008/089502 A2 a device is known which determines the energy requirements of a three-phase point motor drive, from which in turn can be concluded that the state of the switch. The determination of the energy demand takes place via the approximate measurement of the active current component in a conductor of the drive motor by means of a parallel to the conductor connected throttle, wherein the conductor connected to the throttle is opposite to the respective conductor by a uniaxial Hall sensor out.

Aus der DE 10 2014 223 234 B3 ist schließlich eine gattungsgemäße Diagnose-Vorrichtung bekannt, welche das Magnetfeld eines Leiters mittels eines den Leiter umgreifenden mehrdimensionalen Hall-Sensors ermittelt, und auf diese Weise den Stromverlauf im jeweiligen Leiter des Weichenantriebs misst. Dabei wird an mindestens zwei verschiedenen Leitern der jeweilige Stromverlauf in jedem dieser Leiter gemessen. Durch Abgleich von an zwei verschiedenen Leitern ermittelten Messwerten kann die Drehrichtung des Weichenantriebsmotors ermittelt werden. Zusätzlich kann durch Abgleich aktueller an einem Leiter gewonnener Messwerte mit früheren Messwerten desselben Leiters eine Aussage über die Entwicklung der Schwergängigkeit der Weiche getroffen werden. Derartige mehrdimensionale Magnetfeld-Sensoren sind in der Lage, auch die nicht senkrecht auf den Sensor treffenden Anteile des (durch den im Leiter des Antriebsmotors fließenden Strom erzeugten) Magnetfelds zu messen. Weiters sind derartige Sensoren nach Art einer Mess-Strippe unmittelbar auf den jeweiligen Leiter aufbringbar und können somit sehr platzsparend und ohne Eingriff in die bestehende Verkabelung nachgerüstet werden. From the DE 10 2014 223 234 B3 Finally, a generic diagnostic device is known, which determines the magnetic field of a conductor by means of a conductor encompassing multi-dimensional Hall sensor, and in this way measures the current flow in the respective head of the points drive. In this case, the current profile in each of these conductors is measured on at least two different conductors. By balancing measured values determined on two different conductors, the direction of rotation of the point machine drive motor can be determined. In addition, by comparing current measured values obtained on a conductor with earlier measured values of the same conductor, a statement can be made about the development of the stiffness of the points. Such multi-dimensional magnetic field sensors are able to measure the non-perpendicular to the sensor shares of the (generated by the current flowing in the head of the drive motor) magnetic field. Furthermore, such sensors in the manner of a measuring strip can be applied directly to the respective conductor and can thus be retrofitted very space-saving and without interference with the existing wiring.

Allerdings kann mit diesen vorbekannten Vorrichtungen nur eine sich in zeitlicher Hinsicht verändernde Schwergängigkeit detektiert werden, ohne dass eine genauer spezifizierende Diagnose über die mögliche Ursache dieser Schwergängigkeit möglich wäre. Insbesondere weil derartige Messungen, Stromkurven über der Zeitachse aufzeichnen, ist eine Segmentierung der Stromkurve bezogen auf den mechanischen Weg schwierig und lassen keine detaillierten Diagnosen über den exakten Ort der Schwergängigkeit im mechanischen Ablauf zu. Somit ist es im Zuge der laufenden Instandhaltung erforderlich, das mechanische Gesamtsystem vor Ort zu analysieren und Schadenssuche zu betreiben. However, with these prior art devices, only a temporally varying stiffness can be detected without a more accurately specifying diagnosis of the possible cause of this stiffness would be possible. In particular, because such measurements record current waveforms over the time axis, segmenting the current curve relative to the mechanical path is difficult and does not allow for detailed diagnostics about the exact location of stiffness in the mechanical process. Thus, in the course of ongoing maintenance, it is necessary to analyze the overall mechanical system on site and to search for damage.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Vorrichtung zur Diagnose einer mittels eines elektrischen Antriebsmotors angetriebenen mechanischen Anlage, umfassend mindestens einen Sensor zur Erfassung des Stromverlaufes in einem Leiter des elektrischen Anschlusses des Antriebsmotors, bereitzustellen, welche die Genauigkeit und den Detaillierungsgrad der Diagnose verbessert, und damit auch die Effizienz und Zielausrichtung der auf die Diagnose reagierenden Instandhaltung erhöht. The object of the present invention is therefore to provide a device for diagnosing a device by means of an electric drive motor powered mechanical system, comprising at least one sensor for detecting the current flow in a conductor of the electrical connection of the drive motor to provide, which improves the accuracy and the level of detail of the diagnosis, and thus also increases the efficiency and targeting of the diagnosis responsive maintenance.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung des Weiteren Sensoren zur Erfassung der Spannungsverläufe in den Leitern des elektrischen Anschlusses des Antriebsmotors aufweist, wobei jedem Leiter jeweils ein Sensor zur Erfassung des Stromverlaufes sowie ein Sensor zur Erfassung des Spannungsverlaufes zugeordnet sind. This is inventively achieved in that the device further comprises sensors for detecting the voltage waveforms in the conductors of the electrical connection of the drive motor, each conductor is associated with a sensor for detecting the current flow and a sensor for detecting the voltage profile.

Mittels solcher Spannungssensoren können die elektrischen Felder individuell in jedem Leiter des Antriebsmotors bidirektional erfasst werden. Neben den Amplituden können damit insbesondere auch die Nulldurchgänge der Spannungsverläufe in jedem Leiter erfasst werden. Eine solche messtechnisch eindeutige Erfassung der Nulldurchgänge der sinusförmigen Spannungsverläufe in den Leitern des Antriebsmotors ermöglicht die exakte Bestimmung der Einschalt- und Abschaltzeitpunkte der Messung und ist damit auch die Grundlage für eine korrekte Segmentierung des Wirkstromverlaufes eines Umstellvorgangs. Zusätzlich sind in den Spannungsverläufen Schaltvorgänge wie zum Beispiel Stern-Dreieck-Umschaltung oder Schaltvorgänge in der 4-Draht-Schaltung bei Weichenantrieben sichtbar und können als weitere Fixpunkte in der Segmentierung des Wirkstromverlaufs eines Umstellvorgangs verwendet werden. Im vorbekannten Stand der Technik auf dem Gebiet der Diagnose von mechanischen Abläufen war eine solche Segmentierung nicht möglich. In vorbekannten Diagnosesystemen wurde die Zuordnung zwischen den gemessenen Stromverläufen in den Leitern und den tatsächlichen funktionalen Stadien der angetriebenen mechanischen Anlage in aller Regel anhand eines deterministischen, auf Erfahrungswissen basierenden Schemas vorgenommen. Derartige Diagnosesysteme basieren also auf einer mehr oder weniger empirisch gewonnenen Annahme, dass die verschiedenen funktionalen Stadien bzw. Zustände einer mechanischen Anlage während des zeitlichen Verlaufes eines Antriebszyklus einen jeweils fest definierten zeitlichen Abstand zum Anlaufen des Antriebsmotors zum Einsatz aufweisen (d.h. immer nach Ablauf derselben Zeitspanne nach Anlaufen des Antriebsmotors starten). Eine solche auf hypothetischen Annahmen basierende Diagnose kann aber nur ungenaue und vergleichsweise unspezifische Ergebnisse liefern, da kein Abgleich mit den realen an der Anlage stattfindenden Funktionsabfolgen erfolgt. Es leuchtet ein, dass gerade bei zunehmender Schwergängigkeit der mechanischen Anlage die realen Funktionsabläufe von den ursprünglichen, in einem „nicht-schwergängigen“ Zustand ermittelten zeitlichen Abfolgen nahezu zwangsläufig abweichen müssen. Es blieb bei vorbekannten Messmethoden unberücksichtigt, dass asynchrone Drehstrommotoren bei höherer Belastung eine geringere Drehzahl aufweisen, wodurch sich die realen mechanischen Funktionsabläufe verlangsamen. Erschwerend kommt hinzu, dass bei der aus dem Stand der Technik vorbekannten Messung der Stromverläufe in den Leitern mittels Hall-Sensoren keine exakten Einschalt- und Abschaltzeitpunkte ermittelbar sind. Im vorbekannten Stand der Technik muss der gemessene Strom erst eine gewisse Zeit am Datenlogger anliegen, um die Messung zu starten. Ein solchermaßen generierter Beginn der Messung ist aber nicht identisch mit dem tatsächlichen Einschalten des Antriebs. Aber auch andere Ansätze, die auf die Anwendung mathematischer Filter auf die Wirkstromverläufe abzielen, haben sich als ungeeignet erwiesen. By means of such voltage sensors, the electric fields can be detected bidirectionally individually in each conductor of the drive motor. In addition to the amplitudes, the zero crossings of the voltage profiles in each conductor can thus be detected in particular. Such a metrologically clear detection of the zero crossings of the sinusoidal voltage waveforms in the conductors of the drive motor allows the exact determination of the switch-on and switch-off of the measurement and thus is also the basis for a correct segmentation of the active current profile of a changeover. In addition, in the voltage curves switching operations such as star-delta switching or switching operations in the 4-wire circuit in turnout drives are visible and can be used as further fixed points in the segmentation of the active current course of a switching operation. In the prior art in the field of diagnosis of mechanical processes, such a segmentation was not possible. In prior art diagnostic systems, the correlation between the measured current waveforms in the conductors and the actual functional stages of the powered mechanical equipment has typically been determined using a deterministic, empirical knowledge based scheme. Such diagnostic systems are therefore based on a more or less empirically derived assumption that the different functional stages or states of a mechanical system during the time course of a drive cycle each have a fixedly defined time interval for starting the drive motor used (ie always after the same time period start after starting the drive motor). However, such a diagnosis based on hypothetical assumptions can only provide inaccurate and comparatively nonspecific results since no comparison is made with the real functional sequences taking place at the plant. It is clear that, especially with increasing stiffness of the mechanical system, the real functional sequences almost inevitably have to deviate from the original chronological sequences determined in a "non-stiff" state. It has been disregarded in previously known measurement methods that asynchronous three-phase motors have a lower speed at higher load, which slow down the real mechanical functional sequences. To make matters worse, that in the previously known from the prior art measurement of the current waveforms in the conductors by means of Hall sensors no precise turn-on and turn-off can be determined. In the known state of the art, the measured current must first be applied to the datalogger for a certain time in order to start the measurement. However, such a generated start of the measurement is not identical to the actual switching on of the drive. But other approaches, which aim at the application of mathematical filters on the Wirkstromverläufe, have proved to be unsuitable.

Die Erfindung ermöglicht bei Wechselstrom- und Dreiphasen-Wechselstrom-Motoren auch die exakte Ermittlung des Phasenverschiebungswinkels φ zwischen Strom und Spannung. Diese exakte, berührungslose Messung der Phasenverschiebung erlaubt die exakte Aufzeichnung einer cos φ-Kurve und die Berechnung des exakten Wirkstromanteils, der mit der mechanischen Schwergängigkeit der angetriebenen Anlage korrespondiert. Die hierdurch erzielten Verbesserungen bei der Genauigkeit und beim Detaillierungsgrad der Ermittlung des Wirkstroms führen zu einer Verbesserung der hierauf basierenden Diagnose. Im Ergebnis können Störungen an mechanischen Anlage durch die mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewonnenen Daten zuverlässiger vermieden werden. Eine genauere Diagnose führt zu einem effizienteren und zielgerichteten Einsatz des auf die Diagnose reagierenden Instandhaltungspersonals. Darüber hinaus liefert die Erfindung die exakten Anteile von Wirkstrom, Blindstrom und Scheinstrom sowie die zugehörigen Kurven der Leistungsfaktoren. Die Langzeitbeobachtung dieser Werte erlaubt eine zuverlässige Motordiagnose. Für Motoren, deren Werte symmetrisch sind und sich stationär verhalten, besteht keine Gefahr eines kurzfristigen Ausfalls. Beim Stand der Technik ist der permanente Betrieb der Sensoren und der Datalogger erforderlich. Die zu diagnostizierenden mechanischen Anlagen mit sich wiederholenden Vorgängen wie zum Beispiel Tore, oder Weichen sind in der Regel nicht permanent in Betrieb. Durch die erfindungsgemäße und messtechnisch eindeutige Erfassung der Nulldurchgänge der sinusförmigen Spannungsverläufe in den Leitern des Antriebsmotors wird auch eine selbsttätige Steuerung der Vorrichtung ermöglicht. Hierzu werden die Signale der Spannungs-Sensoren einer Auswerteeinheit zugeführt. Sobald diese ein sinusförmiges elektrisches Feld erkennt, wird die Vorrichtung aktiviert. Auf diese Weise kann für die Diagnose-Vorrichtung ein energiesparender Stand-By-Modus realisiert werden. The invention also allows for the exact determination of the phase shift angle φ between current and voltage in AC and three-phase AC motors. This exact, non-contact measurement of the phase shift allows the exact recording of a cos φ curve and the calculation of the exact effective current proportion, which corresponds to the mechanical stiffness of the driven system. The resulting improvements in the accuracy and the degree of detail of the determination of the active current lead to an improvement of the diagnosis based thereon. As a result, disturbances to mechanical system can be more reliably avoided by the data obtained by means of the device according to the invention. A more accurate diagnosis leads to a more efficient and targeted use of the diagnostics-responsive maintenance personnel. In addition, the invention provides the exact proportions of active current, reactive current and apparent current as well as the associated curves of the power factors. Long-term observation of these values allows reliable engine diagnostics. For motors whose values are symmetrical and stationary, there is no risk of short-term failure. The prior art requires the permanent operation of the sensors and data loggers. The mechanical equipment to be diagnosed with repetitive operations such as gates, or switches are usually not permanently in operation. The inventive and metrologically clear detection of the zero crossings of the sinusoidal voltage waveforms in the conductors of the drive motor and an automatic control of the device is made possible. For this purpose, the signals of the voltage sensors are fed to an evaluation unit. As soon as it detects a sinusoidal electric field, the device is activated. In this way, for the diagnostic Device energy-saving stand-by mode can be realized.

Darüber hinaus ist aber auch eine externe Triggerung der Messungen realisierbar, wie sie beispielsweise bei permanent laufenden Antriebsmotoren sinnvoll sein kann. Hierzu wird die vom Antriebsmotor angetriebene mechanische Anlage mit einem Triggerpunkt versehen, über dessen sensorisches Erkennen ein Startsignal für den Beginn der Messung sowie – nach beispielsweise einem Komplett-Umlauf der motorisch angetriebenen mechanischen Anlage – ein Stopp-Signal für das Beenden der Messung generiert wird. Eine erfindungsgemäße Diagnosevorrichtung in Verbindung mit permanent laufenden Antriebsmotoren ist beispielsweise bei Rolltreppen oder ähnlichen, im dauerhaften Ein-Richtungsbetrieb laufenden Förderanlagen sinnvoll. In addition, however, an external triggering of the measurements can be realized, as it may be useful, for example, in permanently running drive motors. For this purpose, the driven by the drive motor mechanical system is provided with a trigger point on the sensory detection of a start signal for the beginning of the measurement and - for example, a complete circulation of the motor-driven mechanical system - a stop signal for terminating the measurement is generated. A diagnostic device according to the invention in conjunction with permanently running drive motors makes sense, for example, in escalators or similar conveyors running in continuous one-way operation.

Eine sinnvolle Weiterentwicklung der Erfindung besteht auch darin, dass die Sensoren zur Erfassung der Spannungsverläufe in den Leitern als Sensoren zur Erfassung des elektrischen Feldes im jeweiligen Leiter ausgeführt sind. Hierbei wird der exakte zeitliche Sinusverlauf der Spannungen gemessen. Ein solcher Sensor kann sehr einfach ausgeführt sein, z.B. in Form eines elektrisch leitenden Plättchens oder Drahtes auf dem sich die elektrische Ladung durch das elektrische Feld verschiebt. Diese als Influenz bezeichnete Ladungsverschiebung wird messtechnisch erfasst und ausgewertet. Messgeräte die dieses Verfahren anwenden, dienen dazu, elektrische Störfelder in Räumen zu Messen, oder auch dazu spannungsführende Leitungen in Wänden zu detektieren. Sie liefern nur eine pauschale Aussage über das Vorhandensein eines elektrischen Feldes und über dessen Feldstärke. Eine weitere Anwendung sind galvanisch getrennte Spannungsprüfer die das Vorhandensein einer Spannung durch den isolierten Leiter hindurch detektieren. A useful development of the invention also consists in that the sensors for detecting the voltage profiles in the conductors are designed as sensors for detecting the electric field in the respective conductor. Here, the exact time sinusoidal waveform of the voltages is measured. Such a sensor can be made very simple, e.g. in the form of an electrically conductive plate or wire on which the electrical charge shifts through the electric field. This charge shift, referred to as influence, is measured and evaluated by measurement. Measuring devices that use this method are used to measure electrical interference fields in rooms, or to detect live cables in walls. They provide only a general statement about the presence of an electric field and its field strength. Another application is galvanically isolated voltage detectors which detect the presence of a voltage through the insulated conductor.

Die Erfindung sieht ferner vor, dass die Vorrichtung des Weiteren einen Sensor zur Erfassung des summarischen elektrischen Feldes aller drei Leiter eines elektrischen Anschlusses eines Dreiphasen-Antriebsmotors aufweist. Ein solcher Sensor addiert die elektrischen Felder aller drei Leiter des Antriebsmotors zu einem Summenwert. Auf diese Weise wird innerhalb der Diagnosevorrichtung ein spezifischer Bezugspunkt zur Messung und Bewertung der elektrischen Felder der Leiter geschaffen. Diese Messmethode eignet sich besonders zur Messung von Dreiphasen-Wechselspannung, da die Summe der drei Sinuswerte Null ergibt. Der Bezugspunkt kann auch mathematisch ermittelt werden. Diese Methode kommt vorteilhaft bei der Messung von Wechselspannung und Gleichspannung zur Anwendung. Bei beiden Methoden entfällt das aufwändige rückwirkungsfreie Heranführen eines externen Bezugspotentials, z.B. über die Stromversorgung der Diagnosevorrichtung, welches bedingt durch die Leitungswege störungsbehaftet ist. Der Messaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung liefert den exakten Sinusverlauf mit den Zeitpunkten von û (U-Dach = Scheitelwert) und den Nulldurchgängen der gemessenen Spannungen. The invention further provides that the device further comprises a sensor for detecting the total electrical field of all three conductors of an electrical connection of a three-phase drive motor. Such a sensor adds the electrical fields of all three conductors of the drive motor to a total value. In this way, a specific reference point for measuring and evaluating the electrical fields of the conductors is created within the diagnostic device. This measurement method is particularly suitable for measuring three-phase AC voltage, since the sum of the three sine values is zero. The reference point can also be determined mathematically. This method is used advantageously in the measurement of AC voltage and DC voltage. Both methods eliminate the time-consuming, non-reactive introduction of an external reference potential, e.g. via the power supply of the diagnostic device, which is faulty due to the cable routes. The measurement setup of the device according to the invention provides the exact sinusoidal curve with the times of û (U-peak = peak value) and the zero crossings of the measured voltages.

Darum kann bei einer erfindungsgemäßen Diagnosevorrichtung die Versorgungsspannung aus einer unabhängigen, potentialfreien Quelle stammen. Beispielsweise kämen eine Batterie, eine Solarzelle oder ein durch einen Trenntrafo galvanisch getrenntes Labor-Netzteil als Spannungsquelle in Betracht. Die solchermaßen erreichte Unabhängigkeit von jeglichem Bezugspotential eröffnet auch die Möglichkeit zur Nutzung von Funk- und LWL-Schnittstellen. Therefore, in a diagnostic device according to the invention, the supply voltage originate from an independent, potential-free source. For example, a battery, a solar cell, or a laboratory power supply galvanically isolated by a separating transformer would be considered as the voltage source. The thus achieved independence from any reference potential also opens up the possibility of using radio and fiber optic interfaces.

Die Erfindung umfasst auch die Diagnose von Antriebssystemen für Schienenweichen oder Förderanlagen, jeweils umfassend mindestens einen elektrisch betrieben Antriebsmotor sowie eine gemäß der vorgenannten Merkmale ausgeführte Vorrichtung zur Diagnose. The invention also includes the diagnosis of drive systems for rail switches or conveyor systems, each comprising at least one electrically operated drive motor and a device designed according to the aforementioned features for diagnosis.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der dazugehörigen Zeichnung näher erläutert. The present invention will be explained in more detail with reference to an embodiment and the accompanying drawings.

1 zeigt eine schematische Darstellung des Messaufbaus einer erfindungsgemäßen Diagnose-Vorrichtung, wobei der Antriebsmotor und die von diesem angetriebenen mechanischen Anlage aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nicht in 1 dargestellt sind. Deren konkrete Ausführung entspricht dem üblichen Stand der Technik und ist für das Verständnis der Erfindung auch nicht weiter relevant. Die Vorrichtung ist zur Aufnahme von maximal drei Motor-Anschlussleitungen, den Leitern (1, 2, 3) konzipiert. An jedem einzelnen Leiter (1, 2, 3) ist jeweils ein Hall-Sensor (4.1, 4.2, 4.3) angebracht, der den Stromverlauf im jeweiligen Leiter messtechnisch erfasst. Ferner ist an jedem einzelnen Leiter (1, 2, 3) ein Sensor (5.1, 5.2, 5.3) zur Erfassung des elektrischen Feldes des Leiters angebracht, welcher den Spannungsverlauf im jeweiligen Leiter messtechnisch erfasst. Des Weiteren ist ein zusätzlicher Sensor (6) zur Erfassung des elektrischen Feldes vorhanden. Dieser Sensor erfasst das summarische elektrische Feld der Leiter (1, 2, 3) und generiert das Bezugspotential für die Spannungsmessung. Die Einzel-Sensoren (5.1, 5.2, 5.3) werden gegen den Summen-Sensor (6) gemessen. Sämtliche Sensoren, auch die Hall-Sensoren (4.1, 4.2, 4.3) sind zur bipolaren Erfassung der jeweiligen magnetischen oder elektrischen Felder eingerichtet, d.h. zur Messung des sinusförmigen Verlaufes der jeweiligen Feldstärke inklusive deren Nulldurchgänge. Die Einzel-Sensoren (5.1, 5.2, 5.3) messen die elektrischen Felder eines jeden Leiters (1, 2, 3), welche synchron zum sinusförmigen Spannungsverlauf im jeweiligen Leiter verlaufen. Die Hall-Sensoren (4.1, 4.2, 4.3) messen die magnetischen Felder eines jeden Leiters (1, 2, 3), welche synchron zum sinusförmigen Stromverlauf im jeweiligen Leiter verlaufen. Eventuelle Laufzeitunterschiede, die durch die unterschiedlichen Messprinzipien verursacht sind, werden im Zuge der Signalauswertung mathematisch kompensiert. Im Ergebnis dieser Messungen werden die Nulldurchgänge der Spannungs- und Stromverläufe in jedem Leiter ermittelt. Aus den zeitlichen Differenzen dieser Nulldurchgänge sind die Phasenwinkel φ ermittelbar, die über den gesamten Messvorgang aufgezeichnet werden. Die so aufgezeichnete cos φ-Kurve reagiert sehr empfindlich auf Änderungen der mechanischen Belastung und kann zusammen mit der Wirkstromkurve die Diagnose verbessern. Des Weiteren werden Schaltvorgänge in der cos φ-Kurve angezeigt, wie sie bei der Stern-Dreieck-Schaltung oder der 4-Draht-Weichenschaltung zur Steuerung und Überwachung verwendet werden. Diese Schaltvorgänge können als Fixpunkte zur Segmentierung des mechanischen Ablaufs verwendet werden. 1 shows a schematic representation of the measurement setup of a diagnostic device according to the invention, wherein the drive motor and driven by this mechanical system for reasons of clarity not in 1 are shown. Their concrete embodiment corresponds to the usual state of the art and is also for the understanding of the invention also not relevant. The device is designed to hold a maximum of three motor connection cables, the conductors ( 1 . 2 . 3 ). At every single conductor ( 1 . 2 . 3 ) is a Hall sensor ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ), which detects the current profile in the respective conductor by measurement. Furthermore, on each individual ladder ( 1 . 2 . 3 ) a sensor ( 5.1 . 5.2 . 5.3 ) for detecting the electric field of the conductor attached, which detects the voltage curve in the respective conductor by measurement. Furthermore, an additional sensor ( 6 ) for detecting the electric field. This sensor detects the total electrical field of the conductors ( 1 . 2 . 3 ) and generates the reference potential for the voltage measurement. The single sensors ( 5.1 . 5.2 . 5.3 ) are used against the sum sensor ( 6 ). All sensors, including the Hall sensors ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ) are arranged for bipolar detection of the respective magnetic or electric fields, ie for measuring the sinusoidal profile of the respective field strength including their zero crossings. The single sensors ( 5.1 . 5.2 . 5.3 ) measure the electric fields of each conductor ( 1 . 2 . 3 ), which synchronously with the sinusoidal voltage curve in the respective conductor run. The Hall sensors ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ) measure the magnetic fields of each conductor ( 1 . 2 . 3 ), which run synchronously to the sinusoidal current flow in the respective conductor. Possible differences in transit time, which are caused by the different measuring principles, are mathematically compensated in the course of the signal evaluation. As a result of these measurements, the zero crossings of the voltage and current waveforms in each conductor are determined. From the time differences of these zero crossings, the phase angle φ can be determined, which are recorded over the entire measuring process. The cos φ curve recorded in this way is very sensitive to changes in the mechanical load and, together with the active-current curve, can improve the diagnosis. Furthermore, switching operations in the cos φ curve, as used in the star-delta circuit or the 4-wire switch circuit for control and monitoring, are displayed. These switching operations can be used as fixed points for segmentation of the mechanical process.

Das mit den Spannungssensoren gemessene elektrische Feld, reagiert sehr empfindlich auf Störungen in der Spannungsversorgung. Prellende Kontakte oder kurze Spannungsunterbrechungen durch defekte Schalteinrichtungen werden zuverlässig erkannt. The electric field measured with the voltage sensors is very sensitive to disturbances in the power supply. Bouncing contacts or short power interruptions due to defective switching devices are detected reliably.

Somit liefert die Vorrichtung Daten, die in Verbindung mit einem Diagnosesystem zur Überwachung und Diagnose der Schalteinrichtung, des elektrischen Antriebs und der mechanischen Anlage verwendet werden können. Thus, the device provides data that may be used in conjunction with a diagnostic system to monitor and diagnose the switching device, the electric drive, and the mechanical system.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Leiter 1 Head 1
2 2: Leiter 2 Head 2
3 3: Leiter 3 Head 3
4.1 / 4.2 / 4.3 4.1 / 4.2 / 4.3: Hall-Sensoren Hall sensors
5.1 / 5.2 / 5.3 5.1 / 5.2 / 5.3: Sensoren zur Erfassung des elektrischen Feldes eines einzelnen Sensors for detecting the electric field of an individual
: Leiters (1, 2, 3) Ladder ( 1 . 2 . 3 )
6 6: Sensor zur Erfassung des summarischen elektrischen Feldes der Leiter (1, 2, 3)Sensor for detecting the total electrical field of the conductors ( 1 . 2 . 3 )

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 3715478 A1 [0003]
WO 2008/089502 A2 [0004]
DE 102014223234 B3 [0005]

Claims

Device for diagnosing a mechanical system driven by an electric motor, comprising at least one sensor for detecting the current flow in a conductor ( 1 . 2 . 3 ) of the electrical connection of the electric motor, characterized in that the device further comprises sensors for detecting the voltage profiles in the conductors of the electrical connection of the electric motor, each conductor ( 1 . 2 . 3 ) one sensor each ( 4.1 . 4.2 . 4.3 ) for detecting the current flow and a sensor ( 5.1 . 5.2 . 5.3 ) are assigned to detect the voltage curve.

Device for diagnosing a mechanical system driven by an electric motor according to claim 1, characterized in that each sensor ( 5.1 . 5.2 . 5.3 ) is designed to detect the voltage curve as a sensor for detecting the electric field around the respective conductor.

Device for diagnosing a mechanical system driven by an electric motor according to claim 1 or 2, characterized in that the device further comprises a sensor ( 6 ) for detecting the total electrical field of all conductors of the electrical connection of the electric motor.

Drive system for a railroad switch, comprising at least one electrically driven motor and a device for diagnosis according to one of the claims 1 to 3.

Drive system for a conveyor system, comprising at least one electrically driven motor and a device for diagnosis according to one of the claims 1 to 3.